Neuronen im Striatum rot codieren Informationen über die möglichen Ergebnisse einer bestimmten Aktion. MIT
Entscheidungen sind außerordentlich wichtig, egal ob Mensch oder Maus.
Überraschenderweise versuchen Neurowissenschaftler immer noch herauszufinden, wie unser Gehirn sie herstellt. Jetzt sind sie dem Verständnis dieses komplexen Prozesses etwas näher gekommen.
In einem Studieveröffentlicht am Dienstag in der Fachzeitschrift Naturkommunikation, Forscher verwendeten neuronale Bildgebung, um die Mäuseneuronen da sie vor eine Wahl gestellt wurden, die manchmal zu einer kleinen Belohnung und manchmal zu einer kleinen Bestrafung führte.
Die Forscher erwarteten, dass diese Neuronen entweder aufleuchten, wenn die Mäuse etwas Gutes oder etwas Schlechtes erlebten, aber das ist nicht passiert. Stattdessen wurden diese Neuronen durch das Unerwartete aktiviert.
„Ein Großteil dieser Gehirnaktivität hat mit überraschenden Ergebnissen zu tun, denn wenn ein Ergebnis erwartet wird, gibt es wirklich nichts zu lernen“, sagt der Neurowissenschaftler.Bernard Blüte, ein Co-Autor des Papiers. „Was wir sehen, ist, dass es eine starke Kodierung sowohl unerwarteter Belohnungen als auch unerwarteter negativer Ergebnisse gibt“, sagt er.
Die Forscher begannen damit, einige durstige Mäuse zu verwirren
Unser Gehirn – und das Gehirn fast aller anderen Tierarten – ist ständig Entscheidungen treffen. Iss ich diese Beere? Welchen Weg schlage ich ein? Ist das Risiko die potenzielle Belohnung wert? Wir treffen diese Entscheidungen normalerweise auf der Grundlage dessen, was unserer Meinung nach als Ergebnis passieren wird. Diese Vorhersagen wiederum basieren normalerweiseauf Erfahrungen aus der Vergangenheit. Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil dieser Verarbeitung tief im Gehirn stattfindet, in einer Region namens Striatum. Aber zu wissen, wo etwas passiert, ist weit davon entfernt Verstehen, wie es funktioniert.
Die Forscher hinter dieser neuen Studie wollten herausfinden, wie Neuronen im Striatum aus vergangenen Erfahrungen lernen. Sie taten dies, indem sie Mäusen ein Lego-Rad präsentierten, das sie im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen konnten. Der Versuchsaufbau umfasste auch ein paar Röhren. Eineeiner von ihnen gab den Mäusen etwas Wasser sie hatten vor dem Experiment ungefähr eine Woche lang jeden Tag nur einen Milliliter Wasser bekommen und der andere gab einen kleinen, unangenehmen Luftstoß ab.
Ein kurzer Piepton teilte den Mäusen mit, wann das Experiment begann. Sie hatten ein paar Sekunden Zeit, um das Rad in die eine oder andere Richtung zu drehen. Es gab keine richtige Antwort. Manchmal hatte es eine höhere Chance, das Rad nach links zu drehen80 Prozent Belohnung und eine geringere Chance auf Bestrafung. Zu anderen Zeiten war das Gegenteil der Fall. Jede Maus durchlief dieses Verfahren Hunderte von Malen, wobei sich die Wahrscheinlichkeiten periodisch änderten.
Der Sinn des Experiments bestand nicht wirklich darin, den Mäusen etwas beizubringen. Die Forscher wollten, dass die Mäuse Erwartungen entwickeln, damit sie beobachten konnten, wie die Gehirne der Nagetiere auf die Bestrafungen und Belohnungen reagierten.
Unerwartete Ergebnisse ließen die Neuronen feuern
Die Forscher dachten, die Neuronen, die sie betrachteten, würden bestimmte Muster zeigen, wenn die Mäuse Wasser bekommen, und andere Muster, wenn sie einen Luftstoß ertragen müssen.
Aber das haben sie nicht gesehen. Die Neuronen feuerten tatsächlich, wenn sich die Regeln des Raddrehspiels änderten, wie zum Beispiel, wenn das Drehen nach links plötzlich eher zu einer Bestrafung als zu einer Belohnung führte. Deshalb nannten die Forscher diese Muster der Neuronenaktivität "Fehlersignale." Sie scheinen die Art und Weise des Gehirns zu sein, festzustellen, dass sein Modell der Welt – eine Reihe von Erwartungen für die Beziehung zwischen einer Handlung und ihrem Ergebnis – falsch ist und überarbeitet werden muss.
Die Forscher glauben, dass die Aktivität in diesen Neuronen dabei hilft, die Tatsache zu registrieren, dass die Vorhersage falsch war, was Lernen anregt. Die Daten scheinen auch andere Bereiche des Gehirns darüber zu informieren, was vor sich geht. Diese Informationen helfen der Maus wahrscheinlich dabei, bessere Entscheidungen zu treffenZukunft.
„Die Entscheidung, ob eine Handlung ausgeführt werden soll oder nicht, was im Wesentlichen die Integration mehrerer Ergebnisse erfordert, geschieht wahrscheinlich irgendwo nachgeschaltet im Gehirn“, sagt Bloem.
Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit Verhaltenstherapien für Menschen beeinflussen könnte, die mit den vielen neurologischen und psychologischen Erkrankungen leben, die sich auf die Entscheidungsfindung auswirken, wie Angstzustände, Depressionen, Zwangsstörungen und PTBS.
Zusammenfassung
Das Lernen über positive und negative Ergebnisse von Handlungen ist überlebenswichtig und wird durch konservierte Schaltkreise, einschließlich des Striatums, untermauert. Wie Assoziationen zwischen Handlungen und Ergebnissen gebildet werden, ist nicht vollständig verstanden, insbesondere wenn die Ergebnisse gemischte positive und negative Merkmale aufweisen. Wir haben a entwickeltneuartige Nahrungssuche "Banditen"-Aufgabe, bei der Mäuse Belohnungen maximieren und Bestrafungen minimieren müssen. Durch 2-Photonen-Ca++ Bildgebung überwachten wir die Aktivität von visuell identifizierten anterodorsalen striatalen Striosomal- und Matrixneuronen. Wir fanden heraus, dass Aktions-Ergebnis-Assoziationen für Belohnung und Bestrafung parallel in teilweise überlappenden Populationen kodiert wurden. Einzelne Neuronen konnten für eine Aktion Ergebnisse mit entgegengesetzter Wertigkeit kodierenStriosomenkompartimente zeigten durchweg stärkere Darstellungen von Verstärkungsergebnissen als Matrix, insbesondere für hohe Belohnungs- oder Bestrafungsvorhersagefehler.Diese Ergebnisse zeigen Multiplexing von Aktionsergebniskontingenzen durch einzelne identifizierte Striatalneuronen und legen nahe, dass striosomale Neuronen beim Aktionsergebnislernen besonders wichtig sind.